Un team internazionale che comprende ricercatori del Max Planck Institute for Chemical Ecology ha descritto un batterio che risiede in una specie di coleotteri fogliari che ha una caratteristica inaspettata:fornisce al coleottero gli enzimi necessari per abbattere alcuni componenti della parete cellulare delle piante. Il genoma del batterio è il più piccolo mai sequenziato di qualsiasi organismo che vive al di fuori di una cellula ospite. Contiene geni responsabili della produzione di pectinasi, gli enzimi che scompongono la pectina, un componente essenziale della parete cellulare della pianta. La produzione di pectinasi è quindi la funzione primaria di questi batteri. Senza simbionti batterici i coleotteri non potrebbero avere accesso ai nutrienti all'interno delle cellule vegetali e quindi non sarebbero in grado di sopravvivere. Lo studio è riportato oggi in Cellula .

"La base del nostro studio erano le descrizioni istologiche e i disegni degli organi simbionti del coleottero che furono pubblicati per la prima volta dallo zoologo tedesco Hans-Jürgen Stammer più di 80 anni fa. Volevamo caratterizzare a livello molecolare la straordinaria collaborazione tra uno scarabeo fogliare e i suoi simbionti descritta da Stammer come una rara particolarità, " primo autore Hassan Salem, già studente di dottorato presso il Max Planck Institute for Chemical Ecology, spiega. Attualmente è Feodor Lynen Postdoctoral Fellow della Fondazione Alexander von Humboldt presso la Emory University di Atlanta, Georgia, STATI UNITI D'AMERICA.

Hans-Jürgen Stammer (1899-1968) ha studiato le relazioni simbiotiche tra insetti e batteri negli anni '20 e '30. Ha scoperto che i coleotteri fogliari (Chrysomelidae) sono noti per non partecipare a collaborazioni simbiotiche. Però, i suoi studi hanno anche rivelato che c'erano eccezioni a questa scoperta tra alcune specie di scarabei di tartaruga, come il coleottero tartaruga cardo ( Cassida rubiginosa ). Questi coleotteri tartaruga sono dotati di organi insoliti, che descrisse in uno studio del 1936. I batteri simbionti risiedono in serbatoi simili a sacche nelle viscere dei coleotteri. Gli scarabei femmine trasferiscono i simbionti attraverso i tubi vaginali alla loro prole applicando una minuscola capsula simbionte a ciascun uovo. Le larve da cova mangiano attraverso il guscio dell'uovo e poi consumano le capsule contenenti i batteri simbionti.

I coleotteri fogliari sono in grado di degradare i componenti della parete cellulare della pianta, come cellulosa e pectina, con l'aiuto di enzimi digestivi. Però, l'analisi genetica ha mostrato che lo scarabeo cardo-tartaruga è privo dei geni responsabili della produzione dei rispettivi enzimi (pectinasi). Il nuovo studio rivela che questo deficit è compensato da una stretta collaborazione con un batterio che risiede in organi speciali vicini all'intestino del coleottero. Per comprendere l'importanza dei simbionti batterici per il coleottero, gli autori hanno condotto una serie di saggi biologici, alcuni che sono stati combinati con misurazioni enzimatiche. "Quando abbiamo confrontato l'attività enzimatica negli scarabei tartaruga con e senza batteri simbiotici, abbiamo scoperto che i coleotteri senza simbionti non erano in grado di digerire la pectina per accedere ai nutrienti nella cellula e di conseguenza le loro possibilità di sopravvivenza diminuivano, " afferma Roy Kirsch del Max Planck Institute for Chemical Ecology.

L'analisi genetica dei batteri simbionti che i ricercatori presentano come "Candidatus Stammera capleta" nel loro attuale studio per onorare le osservazioni di Stammer ha scoperto un'altra sorpresa:il genoma del microrganismo è ridotto a poche centinaia di geni, tra questi alcuni geni che regolano la produzione e il trasporto delle pectinasi. Di conseguenza, il genoma è minuscolo:contiene solo ~270.000 paia di basi, il genoma del batterio è il più piccolo mai descritto per un organismo che esiste al di fuori di una cellula ospite. I batteri Escherichia coli a confronto i batteri che vivono all'interno dell'intestino di molti animali inclusi gli esseri umani hanno 4.600.000, o 17 volte il numero di coppie di basi. Solo alcuni batteri che sono alloggiati all'interno delle cellule dei loro ospiti sono noti per avere genomi più piccoli rispetto al simbionte del coleottero.

La simbiosi tra il coleottero e il suo simbionte è caratterizzata da una netta divisione del lavoro. "L'ospite dello scarabeo possiede i geni responsabili della produzione di cellulasi per digerire la cellulosa, mentre il simbionte fornisce le pectinasi. Insieme hanno gli enzimi necessari per abbattere la parete cellulare della pianta. Particolarmente degno di nota è il fatto che questa è la prima descrizione di un simbionte batterico specializzato con una funzione primaria o addirittura unica dedicata alla degradazione della pectina, " Hassan Salem riassume.

Il fatto che oggi esistano molti animali erbivori è il risultato di adattamenti che si sono evoluti nel tempo. Infatti, i microrganismi hanno svolto un ruolo importante in molti di questi adattamenti. Lo scarabeo tartaruga cardo ne è un esempio impressionante. Senza pectinasi non avrebbe accesso ai nutrienti all'interno di una cellula vegetale. La produzione di questi enzimi è stata affidata a un fornitore di servizi:un batterio che vive in organi speciali vicino al suo intestino.

In molte specie di coleotteri fogliari, i geni che attivano gli enzimi digestivi per la degradazione delle pareti cellulari delle piante hanno avuto origine da funghi e batteri e sono stati introdotti nei genomi degli antenati dei coleotteri tramite trasferimento genico orizzontale. "È affascinante che gli insetti abbiano risolto il problema di come rompere le pareti cellulari delle piante in modo così diverso. Perché alcuni insetti hanno acquisito geni dai microbi orizzontalmente, mentre altri sostengono che i simbionti facciano lo stesso lavoro è una domanda interessante a cui resta da rispondere in studi futuri, ", afferma Martin Kaltenpoth dell'Università di Mainz.